是德科技“X” 系列信号分析仪技术差异及应用选型指南

一、信号分析技术演进与X-Series平台

在射频、微波以及毫米波测试领域，信号分析仪（Signal Analyzer）不仅是工程师的“眼睛”，更是验证设计、确保产品质量和探索物理极限的核心工具。随着5G New Radio (NR)、6G 前沿研究、低轨卫星通信（LEO Satcom）以及认知雷达（Cognitive Radar）技术的爆发，测试需求正经历着从单纯的“频谱监测”向“宽带矢量分析”和“多域联合诊断”的深刻转型。

Keysight Technologies推出的 X-Series 信号分析仪平台，正是为了应对这一复杂挑战而生的工业标准级解决方案。N9010B (EXA)、N9020B (MXA)、N9030B (PXA) 和 N9040B (UXA) 这四款仪器，虽然共享着相同的多点触控（Multi-touch）用户界面和 PathWave 软件生态，但在硬件架构、射频前端设计、本振纯度以及数字信号处理能力上，存在着严谨的物理阶梯差异。

本文旨在为资深射频工程师、实验室管理者及系统集成商提供一份详尽的技术指南。我们将剥离营销术语的表象，深入仪器内部的信号链路，解析这四款设备在相位噪声、分析带宽、动态范围及实时处理能力上的本质区别，并提供基于实际应用场景（如5G EVM 优化、雷达脉冲捕获）的选型策略。

1.1 从频谱分析到矢量信号分析的范式转移

正如我们在“博曦仪器”公众号前几期文章里做的系统性介绍，传统上，频谱分析仪（Spectrum Analyzer）主要采用扫频超外差（Swept-tuned Superheterodyne）架构，通过本振（LO）的扫描将射频信号下变频至中频（IF），再经过分辨带宽（RBW）滤波器检波，最终显示幅度与频率的关系。这种架构在测量连续波（CW）或平稳信号的谐波、杂散时表现优异，但在面对现代数字调制信号时显得力不从心。

X-Series 被定义为“信号分析仪”，其核心变革在于引入了全数字中频（All-Digital IF）和矢量分析能力。在经过下变频后，模拟中频信号被高性能模数转换器（ADC）直接数字化，随后的滤波、检波、FFT 变换以及 IQ 解调均在 FPGA 和处理器中完成。这种架构带来了两个决定性的优势：

1. 

幅度和相位信息的完整保留：使得仪器不仅能显示频谱，还能解调复杂的数字信号（如 QAM, OFDM），测量误差矢量幅度（EVM）。

2. 

3. 

分析带宽（Analysis Bandwidth）的概念：仪器能够在一个瞬间“凝视”一段频谱，捕获其包含的所有时变信息。这对于分析 5G 的 100 MHz 载波或雷达的短脉冲至关重要。

4. 

1.2 X-Series的统一平台策略：代码与算法的连续性

我们在深入了解X 系列分析仪的具体差异之前，必须强调这四款仪器的共性。Keysight 在 X-Series上实施了严格的平台化策略。无论是经济型的 EXA 还是旗舰级的 UXA，它们运行着完全相同的测量算法核心。这意味着，在 N9010B 上开发的 SCPI 远程控制代码，可以无缝迁移至 N9040B 上运行，无需重写底层驱动。这种 100% 的代码兼容性极大地降低了从研发（R&D）到生产（Manufacturing）的测试系统迁移成本。

然而，算法的一致性并不代表测量结果的一致性。硬件物理层的底噪、非线性失真和时钟抖动，决定了算法所能达到的极限精度。接下来的章节，我们将深入剖析这些硬件差异。

二、硬件架构：决定性能的物理基石

要真正理解N9010B 至 N9040B 的区别，我们需要打开机箱，审视其射频前端、本振合成及数字处理单元的设计差异。这些物理层的设计直接决定了仪器的相位噪声、噪声基底（DANL）及三阶互调（TOI）等关键指标。

2.1 本振（LO）合成技术：PLL 与 DDS 的分水岭

相位噪声（Phase Noise）是衡量信号分析仪性能的最核心指标之一，它直接反映了本振信号的频谱纯度。在测量邻近大信号的小信号（如雷达的多普勒旁瓣）或高阶调制信号（如 1024QAM）的 EVM 时，本振的相位噪声往往是测量的限制因素。

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N9010B (EXA) 与 N9020B (MXA)：基于锁相环（PLL）的合成器

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这两款仪器采用了高性能的宽带锁相环（PLL）技术。通过参考晶振锁定压控振荡器（VCO）来产生本振信号。

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MXA 的优化：相比EXA，MXA 采用了更低噪声的 VCO 组件和更优化的环路滤波器设计，因此在 1 GHz 载波（10 kHz 偏移）处，MXA 的典型相位噪声为 -114 dBc/Hz，而 EXA 为 -109 dBc/Hz。这 5 dB 的差异在 5G NR 的 EVM 测量中可能意味着合格与不合格的区别。

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N9030B (PXA) 与 N9040B (UXA)：直接数字合成（DDS）本振

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这是高端与中端的分水岭。PXA 和 UXA 引入了 Keysight 专有的 DDS 本振技术（选件 EP0）。DDS 不依赖于模拟 VCO 的物理谐振，而是通过数模转换器直接合成波形，从而消除了传统锁相环中的许多噪声源。

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性能飞跃：DDS 本振使得 PXA 和 UXA 在 1 GHz 载波（10 kHz 偏移）处的相位噪声低至 -136 dBc/Hz。这一指标比 MXA 好了整整 22 dB。这种极致的纯净度使得 PXA/UXA 能够测量那些被掩盖在相噪裙边下的微弱信号，是高性能雷达和电子战测试的唯一选择。

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2.2 射频前端路径：LNP、MPB 与 FBP 的演进

信号进入分析仪的第一站是射频前端。这里的设计决定了仪器的灵敏度（DANL）和频响平坦度。

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微波预选器旁路（Microwave Preselector Bypass, MPB）

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原理：在 3.6 GHz 以上，为了滤除镜像频率，频谱仪通常使用 YIG 调谐滤波器（YTF）作为预选器。然而，YTF 的带宽通常只有 30-80 MHz，且存在 2-3 dB 的插入损耗。

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差异：

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UXA (N9040B)：标配 MPB。

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PXA (N9030B)：标配或作为选件提供（取决于频率选件）。

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MXA (N9020B)：需要选配。

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应用：当进行带宽超过50 MHz 的宽带信号分析（如 5G NR 100MHz 载波）时，必须启用 MPB 旁路掉 YTF，否则信号会被滤波器“切断”。

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低噪声路径（Low Noise Path, LNP）

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原理：LNP 是一条特殊的硬件路径，它旁路掉了前端的低波段开关组件和第一级衰减器之前的保护电路，直接将信号送入混频器。这大大降低了路径损耗。

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差异：仅 PXA 和 UXA 支持 LNP。MXA 和 EXA 硬件上不支持此功能。

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影响：LNP 结合低噪声前置放大器，使得 PXA/UXA 的 DANL 能够逼近物理热噪声极限（-174 dBm/Hz），对于空间探测等极限灵敏度场景至关重要。

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全旁路路径（Full Bypass Path, FBP）

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原理：FBP 结合了 MPB 和 LNP，创造了一条从输入端口直达混频器的“无障碍”高速公路，最大限度地减少了路径损耗和非线性失真。

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独占性：这是 UXA 的杀手锏（N9042B 标配，N9040B/30B 需特定配置及选件），专为毫米波宽带 EVM 优化设计。在 FBP 模式下，UXA 能够获得业内最佳的宽带信号信噪比（SNR）。

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2.3 宽带数字化与实时处理能力

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分析带宽（Analysis Bandwidth）：

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EXA:标配 25 MHz，最高 40 MHz。限制了其只能用于窄带通信或拼接式频谱测量。

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MXA:最高160 MHz。完美覆盖 5G FR1 和 WiFi 6 (160 MHz) 需求。

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PXA:最高 510 MHz。进入雷达和卫星通信领域。

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UXA:最高 1 GHz。支持超宽带雷达和 5G FR2 载波聚合。

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实时频谱分析（RTSA）：

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EXA:不支持内部硬件 RTSA。它没有专用的 FPGA 资源来进行实时的重叠 FFT 处理和密度显示。所谓的 "Real-time link" 仅指将 IQ 数据流出给外部 PC。

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MXA/PXA/UXA:支持 RT1/RT2 选件，具备真正的 RTSA 功能。区别在于实时带宽（MXA 160 MHz vs PXA/UXA 510 MHz）和截获概率（POI）。

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三：N9010B EXA—经济型分析仪的性能边界与应用

N9010B EXA（Economy）是 X-Series 的入门型号，但它的“入门”是相对于同门师兄而言。在通用测试领域，它依然是一台性能强劲的精密仪器。

3.1 核心指标与限制

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频率范围：10Hz 至44 GHz（同轴），可扩展至 1.1THz（外部混频）。

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分析带宽：标配 25 MHz，可选 40 MHz (Option B40)。

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DANL：-165 dBm @ 1 GHz (典型值，前放开)。

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相位噪声：-109 dBc/Hz @ 1 GHz (10 kHz 偏移)。

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扫描速度：具备“Fast Sweep”功能，显著提升了杂散搜索的速度。

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3.2 为什么选择 EXA？

EXA 的设计哲学是 “够用就好，速度至上”。在生产线上，每一毫秒的测试时间（Test Time）都对应着成本。EXA 优化了本地处理器的指令调度和数据传输效率，使得其在进行简单的功率测量（Channel Power）和杂散搜索（Spurious Search）时，速度甚至能与更高级的型号媲美。

适用场景：

1. 

消费电子产线（Manufacturing）：手机、蓝牙耳机、IoT 模块的射频校准与综测。这些设备的信号带宽通常不大（< 40 MHz），且对相噪要求不极端。

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3. 

毫米波元件测试：由于支持外部混频，EXA 是搭建低成本 60 GHz 或 77 GHz 元件测试系统的理想载体。用户只需购买昂贵的混频器，而无需为 50 GHz 的主机买单。

4. 

5. 

EMC 预兼容测试：配合 N6141C EMI 测量应用软件，EXA 可作为高性价比的 EMI 接收机使用。

6. 

7. 

不适用场景：

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需要分析100 MHz 5G NR 信号 EVM 的场景（带宽不足）。

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捕捉瞬态干扰（无RTSA 功能）。

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高性能基站研发（相噪和动态范围不足）。

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四：N9020B MXA—无线通信测试的“黄金标准”

N9020B MXA（Mid-range）是 Keysight 最畅销的信号分析仪，也是无线通信行业的实际标准（De Facto Standard）。

4.1 核心指标与优势

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频率范围：最高 50 GHz。

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分析带宽：最高 160 MHz。这一指标精准卡位了 5G FR1 的最大单载波带宽（100 MHz）和 Wi-Fi 6 的最大带宽（160 MHz）。

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相位噪声：-114 dBc/Hz @ 1 GHz (10 kHz 偏移)。比 EXA 改善了 5 dB，这 5 dB 对于 256QAM 甚至 1024QAM 的解调至关重要。

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EVM 性能：在5G NR 测试中，MXA 的残余 EVM 可低至 0.3% (-50 dB)，完全满足 3GPP TS 38.141 对基站测试仪表的要求 。

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4.2 MXA 的“甜点”效应

MXA 之所以成功，是因为它在性能和价格之间找到了完美的平衡点——“甜点”（Sweet Spot）。对于 90% 的无线通信研发和生产需求，MXA 提供了不仅仅是“够用”，而是“优异”的性能，同时避免了 PXA/UXA 昂贵的 DDS 本振和超宽带硬件成本。

选件B1X (160 MHz 带宽) 的重要性：

在选购MXA 时，B1X 几乎是必选项。它不仅开启了宽带解调能力，还意味着仪器内部采用了更高速的 ADC 和更宽的中频滤波器。如果只选择 B25 (25 MHz)，这台 MXA 在面对现代通信标准时将不仅是“跛脚”，而是几乎无法工作。

适用场景：

1. 

5G 基站与终端研发验证（DVT）：它是 3GPP 标准符合性测试的主力。

2. 

3. 

Wi-Fi 6/6E 测试：160 MHz 带宽完美适配。

4. 

5. 

无线模块大规模生产：兼顾了速度与矢量分析能力。

6. 

7. 

五：N9030B PXA—雷达与电子战的“精密解剖刀”

当信号进入航空航天与国防（A&D）领域，或者需要对无线通信进行极限物理层分析时，N9030B PXA（Performance）便登场了。

5.1 核心指标与技术飞跃

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分析带宽：最高510 MHz。这使得 PXA 能够捕获宽带线性调频（Chirp）雷达信号的完整脉冲。

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DDS 本振（Option EP0）：这是 PXA 的灵魂。它将近端相噪（< 1 kHz 偏移）和远端相噪都压低到了物理极限。

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动态范围：TOI @ 1 GHz 高达 +22 dBm，DANL 低至 -174 dBm（带前放和 NFE）。这就构成了极大的无杂散动态范围（SFDR）。

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5.2 为什么雷达测试非 PXA 不可？

在多普勒雷达系统中，目标的速度通过回波的频率偏移来测量。如果目标的移动速度很慢（如地面上的车辆或行人），其多普勒频移非常小（可能只有几百Hz），且回波功率极低。如果分析仪的本振相位噪声很差，其“裙边”就会淹没这个微弱的近端回波信号。

PXA 的 DDS 本振提供了极陡峭的相噪曲线，能够清晰地将近端微弱信号从载波的“裙边”中分离出来。这是 EXA 和 MXA 物理上无法做到的。

适用场景：

1. 

高性能雷达系统测试：脉冲压缩、旁瓣分析。

2. 

3. 

电子战（EW）信号侦测：在强干扰下搜索微弱信号。

4. 

5. 

卫星转发器测试：宽带群时延和线性度测量。

6. 

7. 

5G 毫米波 OTA 测试：虽然 MXA 也能做，但在 Path Loss 极大的 OTA 环境中，PXA 的高灵敏度（LNP）能提供更准确的结果。

8. 

9. 

六：N9040B UXA—探索物理极限的“时光机”

N9040B UXA（Ultimate）不仅是仪器，更是通向未来的窗口。它的设计初衷是解决那些“尚未被定义”的挑战。

6.1 核心指标与极致架构

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频率范围：同轴 50 GHz，N9041B 版本通过特殊设计可达 110 GHz 连续扫描。

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分析带宽：1 GHz。这是目前台式分析仪的顶峰之一。

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显示界面：14.1 英寸电容大屏，能够同屏显示时域、频域、调制域等多个视窗，便于从多维度洞察信号。

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全集成：许多在 PXA 上需要选配的功能（如 LNP, MPB, NFE）在 UXA 上是标准集成的，确保了出厂即巅峰的一致性。

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6.2 性能解析：1 GHz 带宽与 SFDR 的博弈

设计宽带仪器最难的不是“做宽”，而是“做宽的同时保持干净”。通常，带宽越宽，引入的噪声和杂散就越多。UXA 的伟大之处在于，在 1 GHz 的全带宽下，依然保持了 > 78dBc 的 SFDR。这意味着，当你在 1 GHz 的视窗里看到一个杂散信号时，你可以确信它是来自被测件（DUT），而不是仪器自己产生的。这对于宽带电子战接收机的验证至关重要。

适用场景：

1. 

6G 前沿研究：探索 Sub-THz 频段和超宽带波形。

2. 

3. 

复杂电磁环境复现：配合宽带记录仪，长时间记录 1 GHz 带宽内的电磁环境，并在实验室内回放。

4. 

5. 

高端卫星通信：Ka/Ku 波段的大容量转发器测试。

6. 

7. 

第七章：关键性能指标横向对比与选型决策

为了直观展示四款机型的差异，我们将核心指标进行横向对比，并结合物理意义进行解读。

7.1 相位噪声对比（Phase Noise @ 1 GHz, 10 kHz Offset）

（注：从-114 到 -136 的 22 dB 差异是巨大的。在对数刻度下，这意味着 PXA 的噪声功率只有 MXA 的 0.6%。）

7.2 分析带宽与应用边界

7.3 实时频谱分析（RTSA）能力

八：选型指南—如何配置你的分析仪？

选对型号只是第一步，正确的选件配置决定了仪器能否真正工作。以下是一份标准化的选型逻辑流。

8.1 第一步：确定频率范围 (Frequency Range)

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原则：必须覆盖被测信号的最高次谐波（通常是基波的 3 倍或 5 倍）。

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选项：

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3.6 GHz / 7 GHz：适合 IoT、Sub-6G 通信。

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13.6 GHz / 26.5 GHz：适合 Ku/K 波段雷达、微波链路。

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32 GHz / 44 GHz / 50 GHz：适合 5G FR2 毫米波、Ka 波段卫星。

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注意：频率选件通常是硬件固定的，后期升级需要返厂，成本高昂，建议一次性规划到位。

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8.2 第二步：确定分析带宽 (Analysis Bandwidth)

这是最容易配错的地方。

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通用监测/杂散：标配 25 MHz 足矣。

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5G FR1 / Wi-Fi：必须选配 B1X(160 MHz) 或至少 B85 (85 MHz)。切记：EXA 无法满足此需求。

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毫米波5G / 宽带雷达：必须选配 B2X(255 MHz) 或 B5X(510 MHz)，仅 PXA/UXA 支持。

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8.3 第三步：优化灵敏度与动态范围 (Preamplifier & Attenuator)

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前置放大器(Preamplifier)：

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Pxx 选件：建议全频段配齐。例如选了 26.5 GHz 的主机，就配 P26 前放。这对于 OTA 测试和微弱信号搜索是必须的。

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衰减器(Attenuator)：

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机械衰减器：标配，步进 2 dB（EXA/MXA/PXA）。

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电子衰减器(EA3)：强烈推荐。电子衰减器寿命几乎无限，适合产线高频次切换，且步进可达 1 dB，能更精细地优化混频器电平。

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微调步进衰减器(FSA)：在 PXA/UXA 上，用于精细控制机械衰减。

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8.4 第四步：必备的高级功能选件

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MPB (微波预选器旁路)：如果你配置了 > 40 MHz 的带宽选件并在 3.6 GHz 以上使用，必须确认配置了 MPB，否则带宽会被滤波器切断。在 UXA 上是标配，在 MXA/PXA 上务必检查。

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LNP (低噪声路径)：如果预算允许且选择了 PXA，强烈建议选配 LNP，它对毫米波灵敏度的提升是前放无法完全替代的。

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NFE (噪声基底扩展)：现在通常作为标准功能或通过 License 开启，务必激活以获得最佳 DANL。

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8.5 第五步：软件与应用 (PathWave X-Series Applications)

硬件只是躯壳，软件才是灵魂。

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N9085EM0E (5G NR 应用)：提供一键式的 5G EVM、功率、频谱测量。

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N9067EM0E (脉冲分析应用)：自动测量雷达脉冲的上升时间、脉宽、PRI 等参数。

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89600 VSA 软件：如果内置应用不够用，或者需要极度灵活的自定义解调，VSA 软件是连接分析仪的终极工具。

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License 类型：推荐 Transportable License（可移动许可），允许在不同仪器间通过服务器流转许可，保护资产投资。

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（上表汇总X 系列分析仪的主要技术指标：频率范围、最大分析带宽、噪声基底、相位噪声、实时分析能力等，对照自己的实际需求和应用，可以很清楚的知道哪款最适合。）

小结：

在Keysight X-Series 信号分析仪的家族图谱中，每一款仪器都有其精准的使命：

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N9010B EXA是 “效率的卫士”。它摒弃了过剩的性能，以极致的速度和性价比守护着大规模制造的防线。

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N9020B MXA是 “通信的基石”。它在性能与成本之间划出了完美的平衡线，支撑起全球无线通信产业的研发与迭代。

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N9030B PXA是 “精密的标尺”。凭借DDS 本振和极致的射频前端，它为雷达与国防电子提供了洞察微毫的物理层视野。

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N9040B UXA是 “未来的先锋”。它以超宽带和全集成架构，为6G 和未知电磁频谱的探索铺平了道路。

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对于工程师而言，选型不仅仅是比对Datasheet 上的数字，更是对测试任务物理本质的深刻理解。希望本文能为您在复杂的射频测试世界中，提供一份清晰的导航。

【注：本文基于Keysight 官方技术文档及行业应用实践编写，核心指标可能随固件版本及硬件批次有所更新，具体请以官方最新数据表为准。如您有测量仪器需求或有技术问题需要咨询，欢迎线下联络我们。】